CN103668022A - 一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镍基高温合金，特指一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法。即以镍基合金种类为依据，设计相应的冷热循环处理工艺，主要是调控冷处理时的降温速度、低温处理温度、保温时间、回温温度和处理时间以及循环次数等主要参数，实现降低镍基合金内部残余应力的目的，此时铸件尺寸稳定性可提高40-45%，对提高镍基合金的服役安全性有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及镍基高温合金，特指一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，提高其尺寸稳定性，属于材料制备领域。
背景技术
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金；50年代时，在发展了真空熔炼和精密铸造工艺后，发展出了一系列具有良好高温强度的铸造合金；60年代中期又发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金；主要用作飞机发动机等重要部件的结构材料；就目前制备工艺看，镍基合金主要通过铸造成型，在铸造中因收缩的不平衡在铸态合金中存有较多残余应力；在现代工业中，镍基合金主要应用于飞机发动机部件等关键部位，未消除的存留于部件中的残余应力会在部件服役过程中释放，造成应力腐蚀，降低了材料的使用性能，也容易造成安全隐患；所以提供一种消除镍基合金残余应力的方法是非常必要的。
目前消除镍基合金铸件内部残余应力的研究报道主要如下：对于焊接产生的残余应力，通过焊后整体高温回火可以实现；提出了盲孔法和X射线衍射等方法测定合金内部残余应力；但是对如何有效消除合金内部铸造或压力加工导致的残余应力却没有相关报道。
发明内容
本发明提供一种减少镍基高温合金内部残余应力的新方法，即对铸造镍基合金进行冷热循环处理；控制冷热循环工艺的主要参数实现降低残余应力，提高服役过程尺寸稳定的目的，涉及的主要参数有：冷处理时的降温速度、终点低温温度、保温时间、回温热处理。
实现本发明的方法是：对合金进行冷热循环处理；调控冷热循环处理主要参数，包括冷处理时降温速度、低温处理温度、处理时间、回温处理时的温度和时间，以及冷热循环次数。
实现本发明的具体步骤及特征为：
将固溶处理或固溶时效处理后的材料按照一定降温速度（参数1）冷却到一定低温处理温度（参数2），一段保温时间（参数3）后，取出置于空气中，回复到室温后再按照设定温度和保温时间（参数4）进行回温热处理，热处理后再冷却到室温，完成一次冷热处理；然后再按照前述步骤进行N次循环处理（循环次数为参数5）。
所述的降温速度为： 5~20℃/min为宜，小于该范围时处理效率低，大于该温度范围时因冷却造成的材料内部应力大。
所述的低温处理温度为： -150~-196℃（液氮温度）为宜，高于该温度不能起到预期效果。
所述的保温时间为： 24h~48h为宜，超出该范围时不能起到预期效果。
所述的回温热处理时的设定温度和保温时间（参数4），其特征在于：如果合金是固溶强化型合金，则设定温度为200~250℃，保温时间为12h~24h，低于12h不能起到预期效果，高于24h时效果提高不明显；如果合金是固溶时效强化型合金，则设定温度略低于最后一次时效温度，低幅在3~10℃为宜，保温时间为12~24h。
所述的N次循环处理（参数5），其特征在于：时效次数在2~3次为宜，当超过该范围时不能起到预期效果。
将固溶时效处理后的合金材料置入深冷处理箱，从室温降低到液氮温度-150~-196℃，降温速度控制在5~20℃/min，小于该速度范围时处理效率低，大于该速度范围时因冷却造成的材料内部应力大；保温24~48h为宜，低温处理结束后取出置于空气中，恢复到室温后再进行回温热处理；回温处理的时间和温度与合金类型有关：如果合金是固溶强化型合金，则设定温度为200~250℃，保温时间为12h~24h，如果合金是固溶时效强化型合金，则设定温度略低于最后一次时效温度，低幅在3~10℃为宜，保温时间为12~24h；回温热处理后再冷却到室温，完成一次冷热处理；将一次冷热处理后的样品，重复低温处理，回温热处理，循环处理2~3次。
采用本发明的优点：冷热循环处理能够减小残余应力的主要原理是冷热循环处理时材料内部应力状态交替变化使得材料内部残余应力减小，材料尺寸稳定性提高；采用本发明，镍基合金内的残余应力值降低幅度达20~30%，服役时尺寸稳定提高40~50%。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施例一：CMSX4镍基高温合金的冷热循环处理方案及尺寸稳定性改善效果
表1 高温镍基合金CMSX4的组分表
在真空熔炼中按照以上组分配比熔炼CMSX4镍基合金，采用熔模精密铸造成型；将合金进行固溶处理，方案为1312℃，6h，热处理结束后空冷到室温。
冷热循环处理工艺为：
冷处理时降温速度为5℃/min；
低温处理温度为-150℃；
保温时间24h；
回温处理时设定温度200℃，时间22h；
冷热循环次数为2；
经过以上冷热循环处理后，CMSX4的尺寸稳定性提高40%。
实施例二：CMSX10N镍基高温合金的冷热循环处理方案及尺寸稳定性改善效果
表2 镍基高温合金CMSX10N的组分表
在真空熔炼中按照以上组分配比熔炼CMSX10N镍基合金，采用熔模精密铸造成型；将合金进行固溶处理，方案为1360℃，24h，热处理结束后空冷到室温。
冷热循环处理工艺为：
冷处理时降温速度为15℃/min；
低温处理温度为-175℃；
保温时间36h；
回温处理时设定温度250℃，时间18h；
冷热循环次数为2；
经过以上冷热循环处理后，CMSX4的尺寸稳定性提高45%。
实施例三：Udmet 500镍基高温合金的冷热循环处理方案及尺寸稳定性改善效果
表3 Udmet500镍基高温合金的组分表
在真空熔炼中按照以上组分配比熔炼Udmet500镍基合金，采用熔模精密铸造成型；将合金进行四段式固溶时效处理，具体为：固溶处理，1175℃，2小时，空冷；中间处理，1080℃，4小时，空冷；一次时效处理，843℃，24小时，空冷；二次时效处理，760℃，16小时，空冷。
热处理结束后空冷到室温；冷热循环处理工艺为：
冷处理时降温速度为20℃/min；
低温处理温度为-196℃；
保温时间48h；
回温处理时设定温度755℃，时间24h；
冷热循环次数为3；
经过以上冷热循环处理后，Udmet500镍基合金的尺寸稳定性提高50%。
Claims (8)
1.一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：将固溶处理或固溶时效处理后的镍基高温合金进行低温-回温热循环处理，通过控制低温处理温度、降温速度、低温处理时间、回温热处理温度、回温热处理时间、冷热循环次数，降低材料内部残余应力，提高材料尺寸稳定性。
2.如权利要求1所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：将固溶处理或固溶时效处理后的镍基高温合金按照一定降温速度（参数1）从室温冷却到一定低温处理温度（参数2），一段保温时间（参数3）后，取出置于空气中，回复到室温后再按照设定温度和保温时间（参数4）进行回温热处理，热处理后再冷却到室温，完成一次冷热处理；然后再按照前述步骤进行N次循环处理（循环次数为参数5）。
3.如权利要求2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：所述的降温速度为： 5~20℃/min，小于该范围时处理效率低，大于该温度范围时因冷却造成的材料内部应力大。
4.如权利要求2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：所述的低温处理温度为： -150~-196℃（液氮温度），高于该温度范围不能起到预期效果。
5.如权利要求2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：所述的低温处理保温时间为： 24h~48h，超出该范围时不能起到预期效果。
6.如权利要求2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：所述的回温热处理时的设定温度和保温时间（参数4），如果合金是固溶强化型合金，则设定温度为200~250℃，保温时间为12h~24h，低于12h不能起到预期效果，高于24h时效果提高不明显；如果合金是固溶时效强化型合金，则设定温度略低于最后一次时效温度，低幅在3~10℃为宜，保温时间为12~24h。
7.如权利要求2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：所述的N次循环处理，时效次数在2~3次，当超过该范围时不能起到预期效果。
8.如权利要求1或2所述的一种减少镍基高温合金内部残余应力的方法，其特征在于：按照所述方法处理后的高温镍基合金材料，镍基合金内的残余应力值降低幅度达20~30%，服役时尺寸稳定提高40~50%。
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